Патент на изобретение №2280914

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЧ МЕЗА-ДИОДОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к способам изготовления полупроводниковых приборов, предназначенных для работы особенно в миллиметровом СВЧ диапазоне, таких как мощные генераторные лавинно-пролетные диоды, диоды Ганна и др. Сущность способа заключается в том, что после утоньшения со стороны подложки полупроводниковой пластины, содержащей активную структуру, и нанесения с обеих сторон металлизации, со стороны активной структуры производится вскрытие окон так, что внутри них остаются металлические контакты, равные по площади и конфигурации рабочей площади активного перехода в заданном диапазоне частот, а со стороны подложки соосно вскрытым окнам производится травление верхнего контакта. Затем со стороны подложки соосно верхнему контакту производится травление до нижней металлизации технологической меза-структуры с диаметром большим, чем диаметр нижнего окна. А со стороны активной структуры во вскрытом окне по маске оставленных внутри него контактов производится травление рабочих меза-структур. При этом образуется кольцевая технологическая меза-структура, окружающая рабочие меза-структуры и соединенная с ними общим остаточным слоем подложки. Далее после разделения полученных кристаллов производится монтаж технологической меза-структуры с находящимися внутри нее рабочими меза-структурами на теплоотвод и удаление технологической меза-структуры. Техническим результатом изобретения является создание СВЧ меза-диодов с сильно развитой периферией активной структуры к теплоотводу, снижение теплового сопротивления, увеличение выходной мощности. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к способам изготовления полупроводниковых приборов, предназначенных для работы в СВЧ диапазоне.

Известны способы создания СВЧ меза-диодов, использующие принцип «перевернутого монтажа», когда меза-структура монтируется активным переходом к теплоотводу, что минимизирует тепловое сопротивление прибора.

Наиболее близким вариантом к предлагаемому способу является способ, описанный в [1]. Главным недостатком существующих и описанной в [1] технологий является то, что рабочие размеры и конфигурацию активного перехода получают уже после сборки прибора на теплоотвод-держатель с помощью слабоконтролируемых методов жидкостного травления. Это приводит к большому разбросу рабочей емкости диода и к большому проценту брака. Кроме того, в миллиметровом (мм) СВЧ диапазоне из-за чрезвычайно малых рабочих размеров активной структуры существующие способы сталкиваются с большими трудностями и даже невозможностью создания приборов с сильно развитой периферией активной структуры к теплоотводу, таких как многомезовые, кольцевые и т.д. [2].

Цель изобретения – получение СВЧ меза-диодов, в особенности миллиметрового диапазона, с сильно развитой периферией активной структуры к теплоотводу, снижение теплового сопротивления, увеличение выходной мощности.

Сущность способа заключается в том, что после утоньшения со стороны подложки полупроводниковой пластины, содержащей активную структуру, и нанесения с обеих сторон металлизации, со стороны активной структуры производится вскрытие окон так, что внутри них остаются металлические контакты, равные по своей площади и конфигурации рабочей площади активного перехода в заданном диапазоне частот, а со стороны подложки соосно вскрытым окнам производится травление верхнего контакта.

Затем со стороны подложки соосно верхнему контакту производится травление до нижней металлизации технологической меза-структуры с диаметром, большим, чем диаметр нижнего окна. А со стороны активной структуры во вскрытом окне по маске оставленных внутри него контактов производится травление рабочих меза-структур. При этом образуется кольцевая технологическая меза-структура, окружающая рабочие меза-структуры и соединенная с ними общим остаточным слоем подложки. Далее после разделения полученных кристаллов производится монтаж технологической меза-структуры с находящимися внутри нее рабочими меза-структурами на теплоотвод и удаление технологической меза-структуры.

Способ отличается тем, что после металлизации утоньшенной полупроводниковой пластины со стороны активной структуры в металлизации производится вскрытие окон диаметром D₁ так, что внутри него остаются металлические контакты, имеющие суммарную площадь и конфигурацию, равную рабочей площади активного перехода в заданном диапазоне частот, а после травления верхнего контакта диаметром D₂, соосного с вскрытым окном D₁, и травления со стороны подложки, соосной с верхним контактом меза-структуры с диаметром D₃>D₁, во вскрытом окне D₁ производится травление рабочих меза-структур на глубину активного слоя с одновременным образованием кольцевой технологической меза-структуры, окружающей активные меза-структуры и соединенной с ними остаточным слоем подложки толщиной L, причем размеры D₁; D₂; D₃ выбираются из соотношений D₃>D₁+L; D₁>D₂+L; D₂>D₄+L, D₄ – диаметр окружности, описанной вокруг рабочих меза-структур.

Далее производится монтаж технологической меза-структуры с находящимися внутри нее рабочими меза-структурами на теплоотвод с классом поверхности не ниже 14-го. Затем после формирования жесткого вывода идет травление технологической меза-структуры по маске верхнего электрода D₂ до ее отделения от рабочих меза-структур.

В случае полного травления технологической меза-структуры до формирования жесткого вывода и ее полного удаления возможно максимально разнести активные структуры, полностью используя внутренние размеры жесткого вывода.

На чертежах показан способ изготовления СВЧ меза-диодов:

– на фиг.1 полупроводниковая пластина с активной структурой утоньшена со стороны подложки n⁺ и металлизирована с обеих сторон;

– на фиг.2 со стороны активной структуры в металлизации вскрыты окна диаметром D₁ так, что внутри остаются металлические контакты, имеющие суммарную площадь и конфигурацию, равную рабочей площади активного p-n перехода в заданном диапазоне частот, а со стороны подложки соосно окну D₁ сформированы контакты D₂;

– на фиг.3 со стороны подложки соосно окну D₁ произведено травление до нижней металлизации меза-структуры D₃>D₁+L;

– на фиг.4 в окне D₁ произведено травление рабочих меза-структур на глубину активного слоя;

– на фиг.5 технологическая меза-структура с находящимися внутри нее рабочими структурами смонтирована на теплоотвод с классом поверхности не ниже 14-го.

– на фиг.6 после формирования жесткого вывода технологическая меза-структура отделена от рабочих структур и полностью удалена.

Вскрытие окна D₁ со сформированными внутри него металлическими контактами, имеющими суммарную площадь и конфигурацию, равную рабочей площади активного перехода в заданном диапазоне частот, позволяет еще на самой пластине, используя возможности контактной фотолитографии, с максимальной точностью получить любую конфигурацию рабочих меза-структур с минимальным разбросом их размеров.

Образование технологической меза-структуры, окружающей активные структуры и соединенной с ними общим остаточным слоем подложки, позволяет производить все необходимые манипуляции при монтаже на теплоотвод активных меза-структур самых миниатюрных размеров и конфигураций.

Технологическая меза-структура и требование к наличию у теплоотвода класса поверхности не ниже 14-го, позволяет произвести равномерное распределение механической нагрузки от рабочего инструмента на активные меза-структуры при их монтаже на теплоотвод и получить качественное тепловое соединение.

Далее технологическая меза-структура должна быть отделена от активных меза-структур или полностью удалена по маске верхнего контакта D₂, при этом размеры D₂, удовлетворяющие требованию D₂>D₄+L, позволяют сохранить заданные на пластине размеры активных меза-структур.

В качестве примера конкретного выполнения для Si лавинно-пролетного двухрейфового p⁺pnn⁺ диода с 6-мезовой активной структурой 5 мм диапазона:

D₁=300 мкм; D₂=250 мкм; D₃=380 мкм;

D₄=180 мкм; L=20 мкм.

Высота единичной меза-структуры около 4 мкм, диаметр единичной меза-структуры 19 мкм, суммарная площадь р-n перехода 1,8×10^-5 см².

При этом тепловое сопротивление на медном золоченом теплоотводе с 14-м классом поверхности составило около 21 °С/Вт, что примерно в 2 раза меньше значения для одномезового ЛПД с той же площадью р-n перехода. Это позволило при уровне входной мощности 10 Вт получить выходную мощность генерации в непрерывном режиме 1 Вт на частоте 65,9 Гц при температуре перегрева р-n перехода 196°С [3].

Таким образом, предлагаемый способ позволяет на самой полупроводниковой пластине с высокой точностью получать рабочие размеры и конфигурацию активных меза-структур с сильно развитой периферией и производить все необходимые манипуляции и монтаж таких миниатюрных структур на теплоотвод с получением качественного теплового контакта.

Возможности данного способа многократно возрастают при использовании современных достижений в области фотолитографии и сухих методов травления металлов и полупроводниковых материалов.

Литература

1. Технический отчет по ОКР «Пловец-3». Гос. рег. №908.643.

2. Труды института инженеров электроники и радиотехники (ТИИЭР), 1971 г., т.59, №1. «Составные IMPATT-диоды, генерирующие на частоте 110 ГГц».

3. Электронная промышленность. 1992 г., №6, стр.53-56, «Успехи в конструировании мощных кремниевых лавинно-пролетных диодов миллиметрового диапазона». А.К.Шухостанов, А.С.Ташилов.

Формула изобретения

1. Способ изготовления СВЧ меза-диодов, включающий в себя утоньшение со стороны подложки полупроводниковой пластины, содержащей активную структуру, нанесения с обеих сторон металлизации, травление контактов со стороны подложки, травление меза-структур с их последующим разделением и монтажом на теплоотвод, формирование жесткого вывода и обтравливание меза-структур до их рабочих размеров, отличающийся тем, что после металлизации утоньшенной полупроводниковой пластины со стороны активной структуры в металлизации производится вскрытие окон диаметром D₁ так, что внутри него остаются металлические контакты, имеющие суммарную площадь и конфигурацию, равную рабочей площади активного перехода в заданном диапазоне частот, а после травления со стороны подложки верхнего контакта диаметром D₂, соосного с вскрытым окном D₁, и травления до нижней металлизации соосно с верхним контактом меза-структур диаметра D₃>D₁ во вскрытом окне D₁ производится травление рабочих меза-структур с одновременным образованием кольцевой технологической меза-структуры, окружающей активные меза-структуры и соединенной с ними остаточным слоем подложки толщиной L, причем размеры D₁, D₂, D₃ выбираются из соотношений D₃>D₁+L, D₁>D₂+L, D₂>D₄+L, D₄ – диаметр окружности, описанной вокруг рабочих меза-структур, затем производится монтаж технологической меза-структуры с находящимися внутри нее рабочими меза-структурами на теплоотвод, имеющий класс чистоты поверхности не ниже 14-го, после этого производится формирование жесткого вывода и травление технологической меза-структуры по маске верхнего контакта D₂ до ее отделения от рабочих меза-структур и полного удаления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаление технологической меза-структуры производится до формирования жесткого вывода.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 04.11.2007

Извещение опубликовано: 10.07.2009 БИ: 19/2009